Прямая корреляционная обработка спекл-модулированного лазерного излучения для измерения параметров деформации объектов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

Ланцов Алексей Дмитриевич

ПРЯМАЯ КОРРЕЛЯЦИОННАЯ ОБРАБОТКА СПЕКЛ-МОДУЛИРОВАННОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДЕФОРМАЦИИ ОБЪЕКТОВ

Специальность 01.04.21 - Лазерная физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете (ДВПИ им. В.В. Куйбышева).

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Ведущая организация:

Дальневосточный государственный университет путей сообщения.

Защита диссертации состоится «29» декабря 2008 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д 005.007.02 при Институте автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской Академии Наук по адресу: г. Владивосток, ул. Радио, 5, ауд. 510.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института автоматики и процессов управления ДВО РАН и на сайте ИАПУ ДВО РАН.

Автореферат разослан "25" ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

Витрик Олег Борисович

Официальные оппоненты:

кандидат физико-математических наук Стародуб Александр Николаевич

доктор физико-математических наук, профессор

Букин Олег Алексеевич

доцент

Гамаюнов Е.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы.

Прецизионные оптические методы измерений широко применяются практически во всех областях науки и техники, что объясняется тем, что данные методы являются неконтактными, дистанционными, высокочувствительными, они устойчивы к электромагнитной помехе, обеспечивают регистрацию параметров быстропротекающих процессов и позволяют проводить измерения в широком диапазоне изменения температуры, давления и других параметров окружающей среды.

Однако большинство прозрачных и непрозрачных объектов, параметры которых требуется измерить, а зачастую и оптические детали измерительных систем являются в той или иной степени случайно-неоднородными в масштабе длин волн оптического диапазона. Поэтому когерентные световые пучки на выходе оптических измерительных систем часто становятся пространственно неоднородным и, будучи направлены на экран, формируют картину со множеством хаотически расположенных темных и светлых пятен, которые называются спеклами. Физическая причина формирования таких структур состоит в том, что каждый из элементов изображения в плоскости наблюдения представляет результат когерентного сложения возмущений световой волны, сформированных множеством различных рассеивающих центров.

Исследования формирования спекл-структуры привели к формированию в 6070 гг. XX века нового направления в метрологии - спекл-интерферометрии.

Начиная с 80-х годов XX века классические методы спекл-интерфероыетрии получили дальнейшее развитие, что позволило значительно расширить диапазон применения данного подхода в задачах метрологии. Новым применением таких методов стала обработка сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров (ОМИ), которые формируют спекл-структуры на выходе многомодового волоконного световода (ВС) в результате когерентного сложения полей большого числа собственных волн с очень сложным пространственным распределением амплитуды по поперечному сечению световода и практически произвольными фазами.

Изменение картины спеклового поля при внешнем воздействии на формирующий спекл-структуру объект может иметь характер трансляции либо кипения Трансляция представляет собой смещение спекл-структуры в плоскости наблюдения без ее изменения. Кипение характеризуется хаотичным перестроением отдельных спеклов, составляющих спекл-структуру.

Для извлечения информации о параметрах деформации объектов, формирующих спекл-структуру, обычно используют методы лазерной спекл-интерферометрии, такие как двухэкспозиционную спекл-фотографию, корреляционную спекл-интерферометрию и их модификации. Методы спекл-фотографии и корреляционной спекл-интерферометрии обладают высокой чувствительностью к деформационным смещениям исследуемых объектов, однако их важной особенностью является то, что они могут быть применены только при трансляции спеклов.

Однако такой режим преобразований спекл-структур практически никогда не реализуется при деформационных воздействиях на многомодовые волоконные световоды, которые в настоящее время все шире используются в качестве чувствительных элементов в составе различных волоконно-оптических измерительных преобразователей, использующихся для измерения широкого ряда физических величин.

В случае кипения спеклов для извлечения количественной информации о параметрах деформации объектов предпочтительнее оказывается применение методов

прямого измерения корреляции между заранее записанным изображением исходного распределения интенсивности в спекл-картине и текущим распределением интенсивности без формирования картины интерференционных полос или полос корреляции.

Обработка, связанная с прямыми измерениями корреляционной функции спек-ловых полей, оптимальна для случая «кипящих» спекловых полей. Однако она может быть использована и в случае трансляции спеклов. Это обуславливает универсальность такого подхода, который может быть использован для изучения параметров деформации не только многомодовых волоконных световодов в составе одноволокон-ных многомодовых интерферометров, но и диффузных объектов. Прямое вычисление корреляционной функции не требует формирования интерференционных полос или полос корреляции, поэтому от приборов с зарядовой связью (ПЗС), используемых для регистрации спекл-структур, не требуется сверхвысокой разрешающей способности, что является дополнительным преимуществом.

Использование ПЗС в схеме прямой корреляционной обработки спекл-сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров дает возможность создания не только точечных измерительных преобразователей, но и многоканальных волоконно-оптических измерительных систем за счет регистрации излучения на выходе множества ОМИ единой матрицей с синхронной обработкой информации при помощи ЭВМ, сопряженной с измерительной системой. Такой подход открывает перспективу создания мультиплексированных лазерных измерительных систем, а также волоконно-оптических измерительных систем томографического типа.

Волоконно-оптические системы томографического типа способны обеспечить решение широкого класса фундаментальных и прикладных задач, требующих проведения мониторинга параметров физических полей на контролируемых поверхностях технических и природных объектов большой площади. Решение достигается за счет использования протяженных измерительных линий с интегральной чувствительностью, в качестве которых наиболее перспективно применение одноволоконных многомодовых интерферометров, формирующих спекл-сигналы.

Однако реальные ПЗС устройства имеют ограниченные апертуру, пространственное разрешение и динамический диапазон. Существенное значение так же приобретают временные характеристики процессов записи и считывания оптических изображений с матриц ПЗС. Эти особенности могут исказить статистические и, как следствие, корреляционные свойства сигналов о пространственном распределении спекловых полей. Данное обстоятельство обуславливает необходимость исследования статистических и корреляционных свойств сигналов ПЗС о пространственном распределении интенсивности спекловых полей, формируемых при прохождении лазерного излучения через многомодовый ВС в составе одноволоконного многомодового интерферометра, и при рассеянии лазерного излучения диффузными объектами и выяснения оптимальных условий регистрации спекл-сигналов приборами с зарядовой связью, обеспечивающих соответствие корреляционных свойств исходных и регистрируемых сигналов.

Необходимо связать однозначной функциональной зависимостью величину коэффициента корреляции спекловых полей, измеряемую оптоэлектронными ПЗС системами с параметрами деформации ОМИ и диффузных объектов, определить погрешность, динамический и частотный диапазон измерений параметров деформации объектов корреляционным способом. На основе этих данных необходимо разработать метод обработки сигналов ПЗС, обеспечивающий измерения параметров деформации ОМИ и диффузных объектов. Требуется разработать макеты конструкций волоконно-

оптических измерительных преобразователей и систем для измерения параметров деформации объектов в статическом и динамическом режимах, определить их рабочие характеристики и выяснить особенности их применения при проведении измерений параметров деформации техногенных и природных объектов различного назначения.

Для реализации многоканальных лазерных волоконно-оптических измерительных систем на основе одноволоконных многомодовых интерферометров требуется выяснить условия регистрации излучения большого числа волоконных световодов приборами с зарядовой связью, изучить влияние перекрестной помехи между каналами на результат измерений и установить максимальное количество измерительных каналов в составе системы.

Остаются неизученными особенности реализации томографических систем па основе корреляционной обработки спекл-сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров с использованием ПЗС. Для данного случая необходимо разработать специальные математические алгоритмы для обработки массивов получаемой системой информации. Требуются модификации топологии установки волоконно-оптических измерительных линий применительно к особенностям геометрии и физическим свойствам исследуемого объекта.

Цель работы

Разработка прямого корреляционного метода обработки сигналов ПЗС о пространственном распределении случайно-неоднородных оптических полей, формируемых при прохождении лазерного излучения через многомодовые волоконные световоды в составе одноволоконных многомодовых интерферометров и при рассеянии лазерного излучения диффузными объектами, а также создание на его основе принципов построения лазерных систем для измерения параметров деформации объектов различного назначения. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи.

Необходимо исследовать статистические и корреляционные свойства сигналов ПЗС о пространственном распределении интенсивности случайно-неоднородных оптических полей, формируемых при прохождении лазерного излучения через многомодовые волоконные световоды и при рассеянии лазерного излучения диффузными объектами.

Необходимо разработать метод обработки случайно-неоднородных оптических полей рассеянного лазерного излучения оптоэлектронными ПЗС системами, основанный на прямом измерении корреляционной функции спекл-сигналов и обеспечивающий прецизионные измерения параметров деформации технических и биологических объектов.

Требуется разработать физические принципы построения многоканальной лазерной волоконно-оптической измерительной системы, основанной на использовании одноволоконных многомодовых интерферометров и оптоэлектронной ПЗС системы обработки их спекл-сигналов. Необходимо определить максимальное число измерительных каналов такой системы и разработать алгоритмы и программные пакеты для обработки ее выходных сигналов.

Требуется разработать физические принципы построения и топологию одномерной лазерной волоконно-оптической измерительной системы томографического типа для сбора данных о параметрах деформации объектов. Необходимо разработать математические методы и вычислительные пакеты для обработки массивов получаемых ею интегральных данных.

Научная новизна

1. Впервые исследованы статистические и корреляционные свойства сигналов ПЗС о пространственном распределении интенсивности случайно-неоднородных оптических полей, формируемых при прохождении лазерного излучения через много-модовые волоконные световоды. Сформулированы оптимальные условия регистрации спекл-сигналов приборами с зарядовой связью, при выполнении которых обеспечивается соответствие статистических и корреляционных свойств исходных и регистрируемых спекл-сигналов.

2. Впервые разработан метод обработки случайно-неоднородных оптических полей рассеянного лазерного излучения оптоэлектронными ПЗС системами, основанный на прямом измерении корреляционной функции спекловых полей, и обеспечивающий прецизионные измерения параметров деформации технических и биологических объектов. Определены величина погрешности измерения параметров деформации при помощи указанного метода, динамический и частотный диапазоны измерений.

3. Впервые разработаны физические принципы построения многоканальной лазерной волоконно-оптической измерительной системы, основанной на использовании одноволоконных многомодовых интерферометров и оптоэлектронной ПЗС системы обработки их спекл-сигналов. Определено максимальное число измерительных каналов такой системы в зависимости от числовой апертуры используемого многомодово-го волоконного световода, размеров апертуры и разрешения матрицы ПЗС.

4. Впервые разработаны физические принципы построения и топология одномерной лазерной волоконно-оптической измерительной системы томографического типа для сбора данных о параметрах деформации объектов.

Положения, выдвигаемые на защиту:

1. Результаты исследований статистических и корреляционных свойств сигналов ПЗС о пространственном распределении интенсивности случайно-неоднородных оптических полей, формируемых при прохождении лазерного излучения через много-модовые волоконные световоды.

2. Метод прямой корреляционной обработки спекл-модулированного лазерного излучения оптоэлектронными ПЗС системами, обеспечивающий прецизионные измерения параметров деформации технических и биологических объектов.

3. Физические принципы построения лазерных многоканальных волоконно-оптических измерительных систем, в том числе томографического типа, для мониторинга процессов деформации объектов.

Научная и практическая значимость диссертации заключается в том, что проведенные в диссертационной работе исследования позволили сформулировать оптимальные условия регистрации спекл-сигналов приборами с зарядовой связью, при выполнении которых обеспечивается соответствие статистических и корреляционных свойств исходных оптических и регистрируемых ПЗС электрических сигналов.

Разработанный метод регистрации и обработки оптических спекл-сигналов, основанный на выполнении прямых измерений коэффициента корреляции опорного и текущего пространственных распределений интенсивности спекл-модулированных световых волн оптоэлектронными системами с применением приборов с зарядовой связью, предоставляют возможность создания широкого круга измерительных преобразователей для измерения параметров деформации как волоконных световодов в составе одноволоконных многомодовых интерферометров, так и диффузных объектов.

Разработанные физические принципы построения лазерных многоканальных волоконно-оптических измерительных систем, в том числе томографического типа, открывают широкие возможности для построения на их базе большого количества многоканальных измерительных систем, в том числе для мониторинга напряженно-деформированного состояния техногенных объектов, восстановления пространственного распределения полей физических величин вдоль выбранных направлений измерений, а также широкого ряда других практических исследований.

Полученные результаты позволили предложить макеты конструкций волоконно-оптических измерительных преобразователей для измерения параметров продольной и поперечной деформации объектов в статическом и динамическом режимах. Данные результаты могут найти применение при создании систем, предназначенных для отслеживания параметров полей деформации в элементах исследуемых объектов, для контроля их текущего состояния и предупреждения о нарушениях в работе и выходе из строя их элементов.

Апробация работы: основные результаты, полученные в диссертации, были представлены на следующих региональных, всероссийских и международных конференциях:

1. Fifth Asia-pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics APCOM'2005, Vladivostok (Russia), 2005.

2. Sixth Asia-pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics APCOM'2006, Harbin (P.R. of China), 2006,

3. SPIE Optics + Photonics. San-Diego (USA), 2007.

4. 8-th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments ISMTII2007, Sendai (Japan), 2007.

5. Всероссийская конференция по волоконной оптике ВКВО-2007, Пермь (Россия), 2007.

6. Sixth Asia-pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics APCOM'2007, Vladivostok (Russia), 2007.

7. Seventh Asia-pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics APCOM'2008, Tokyo (Japan), 2008.

8. SPIE Optics + Photonics. San-Diego (USA), 2008.

9. Международная научно - техническая конференция, посвященная 85-летию со дня рождения проф. П. П. Ступаченко - Владивосток (Россия), 2008.

Основные практические результаты, полученные в настоящей работе, экспонировались на 11-й Всероссийской научно-производственной инновационной выставке-ярмарке «ИНТЕГРАЦИЯ - 2006» в рамках 9-го Международного Всесибирского инновационного форума, 2006.

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура II объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 126 страниц, работа включает 42 рисунка и список литературы из 133 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждаются существующие методы регистрации и обработки спекл сигналов, их достоинства и недостатки. Обосновывается актуальность, ставятся задачи проводимого исследования, намечаются возможные пути решения поставленных задач. Формулируется цель диссертационной работы и положения, выдвигаемые на защиту, приводится краткое содержание работы.

В первой главе рассматриваются особенности регистрации и обработки спекл-сигнапов, формируемых многомодовыми волоконными световодами, работающими в режимах возбуждения как большого, так и малого числа мод, при помощи оптоэлек-тронных ПЗС систем, применительно к созданию оптических методов измерений аксиальных деформаций ВС в схеме одноволоконных многомодовых интерферометров.

Метод прямой корреляционной обработки спекл-сигналов многомодовых волоконных световодов состоит в том, что матрица ПЗС регистрирует опорное изображение спекл-картины, соответствующее начальному состоянию волоконного световода в ОМИ. В качестве меры сравнения спекл-сигналов до и после деформационного воздействия на ВС вычисляется парный рядный коэффициент корреля-

{!?""■ С")-(С")-О?'") , 10Ш s

ци: д, = , для опорного ( J¡ ) и текущего

- ^«(/г-)3>-</Г'")г)«(^л"')2>-

, ОМИ

{12 ) пространственного распределения интенсивностеи спекл-картин, угловые скобки означают процедуру усреднения по апертуре светового поля.

Теоретически и экспериментально установлено, что коэффициент корреляции между текущим и опорным изображениями спекл-картины на выходе многомодово-го волоконного световода определяется изменением длины ВС, не зависит от других факторов деформации, и описывается выражением

sin (-)

А/, А/„

где А/ - величина удлинения ВС, А/0 - характерное удлинение многомодового волоконного световода, по достижении которого наблюдается полная декорреляция сигнала межмодовой интерференции и опорного изображения. Теоретически и экспериментально установлено, что характерная величина Доопределяется в зависимости от длины волны лазерного излучения (А) и оптических характеристик исполь-

Я

зуемого волоконного световода в ОМИ следующим выражением: Д/0 =—т-^t,

где /; - коэффициент Пуассона, $ = 2-^, V = кг0 л/и,2 -п22 , г0- радиус сердцевины

световода, к = 2я7Л, Ап = и, -п2 - разность показателей преломления сердцевины и оболочки ВС соответственно. Экспериментально и теоретически установлено, что по измеренным значениям коэффициента корреляции рп можно находить величину удлинения волоконного световода в составе ОМИ даже в том случае, когда удлинение значительно превышает характерную величину Д/0. Это достигается за счет последовательной перезаписи опорных сигналов о пространственном распределении

интенсивностей спекл-сигналов. При сравнении текущего изображения с несколькими записанными в памяти ЭВМ опорными сигналами удается устанавливать направление деформации.

Продемонстрировано, что статистические и корреляционные свойства измеренных оптоэлектронными ПЗС системами значений интенсивностей спекл-модулированных световых волн, формируемых при прохождении лазерного излучения через многомодовый световод в составе ОМИ, зависят от режима работы прибора с зарядовой связью, используемого для их регистрации.

Соответствие статистических и корреляционных свойств исходных и регистрируемых спекл-сигналов достигается при обеспечении оптимального режима регистрации спекл-сигналов оптоэлектронными ПЗС системами.

Оптимальные условия регистрации картин многомодовой интерференции приборами с зарядовой связью заключаются в следующем:

а) Статистический параметр распределения интенсивности света в регистрируемой спекл-картине X / Хпт (где X - среднее зарегистрированное значение интенсивности, Х^ - максимальное значение зарегистрированной интенсивности) не превышает 0.15.

б) Расстояние I между формирующим спеклы объектом и ПЗС должно удов-

° Г , ° Л I

летворять условию - —д^«Ь<<—Длзс (где и - это диаметр светоизлучающеи Я .Я

сердцевины световода, £ - расстояние от выходного торца ВС до плоскости наблюдения, Л - длина волны излучения, <5пС - поперечные размеры элемента матрицы ПЗС, Апзс - размеры светочувствительной площадки ПЗС).

в) Радиус Л регистрируемой картины должен находиться в пределах -

(где Н0 - радиус участка спекл-картины, в пределах которого ПЗС матрицей регистрируется 80% световой мощности).

Выполнение условия (а) для параметра XI Хтк означает, что доля ПЗС ячеек, работающих в нелинейном режиме, настолько мала, что это не приводит к заметной погрешности при измерении значений коэффициента рг_ и в целом ПЗС находится в линейном режиме регистрации спекл-сигналов.

Рис. 1 демонстрирует экспериментальные зависимости для плотности распределения сигнала Ха, полученные при освещении ПЗС спекл-модулированпой поляризованной световой волной при различных значениях статистического параметра Х/Хтю. Видно, что экспоненциальный характер кривой 1, характерный для плотности распределения световой интенсивности случайных когерентно-оптических полей, свидетельствует о линейном режиме работы используемого прибора, а изменившийся характер кривых 2-5 о нелинейном режиме.

Рис. 1 Результаты измерений плотности распределения для выходного сигнала ПЗС при его освещении спекл-модулированной поляризованной световой волной. Кривая 1 получена при = 0.12; кривая 2 - при = 0.18; кривая 3- при х]хта =

0.4; кривая 4 - при х/х„ш = 0.58; кривая 5 - при х/х^ = 0.84.

Рис. 2 демонстрирует результаты измерения зависимости коэффициента корреляции интенсивностей спекловых полей от удлинения многомодового световода в ОМИ в линейном режиме регистрации при X / Хтх = 0.15 (кривая 2) и в нелинейном режиме при X / Х^ = 0.8 (кривая 3).

Рис. 2 Зависимость коэффициента корреляции от удлинения световода с параметрами: числовая апертура 0.2, Ап - 0.13, диаметр сердцевины 50 мкм: 1 - кривая для коэффициента корреляции распределений интенсивности опорного и текущего спекл-сигналов на выходе волоконного световода, 2, 3 - экспериментальные кривые, измеренные для сигналов ПЗС и полученные соответственно при Х!Ххаа = 0.15,

Видно, что кривая 2, измеренная для сигналов ПЗС, совпадает с рассчитанной согласно выражению 1 кривой для коэффициента корреляции распределений интенсивности опорного и текущего спекл-сигналов на выходе волоконного световода. Из

рисунка 2 видно, что кривая 3, измеренная при нелинейном режиме регистрации, отличается от кривых 1 и 2 наличием постоянной составляющей.

Для выполнения условия (а) следует ограничивать интенсивность лазерного излучения, регистрируемого ПЗС.

Выполнение условия (б) для геометрии взаимного расположения волоконного световода и ПЗС обеспечивает разрешение отдельных спеклов в спекл-картине, регистрацию их числа, достаточного для статистической обработки, а ограничение апертуры спекл-картины согласно условию (в) позволяет избежать регистрации внешних по отношению к спекл-картине участков.

Рис. 3 демонстрирует влияние выполнения этих условий на результаты измерения ПЗС системой коэффициента корреляции интенсивностей слекловых полей. Видно, что из всех экспериментальных кривых к кривой 1 для коэффициента корреляции распределений интенсивности опорного и текущего спекл-сигналов на выходе волоконного световода близка только кривая 2, для которой условия (б) и (в) выполняются.

Рис. 3 Зависимость коэффициента корреляг/ии от удлинения световода для световода с параметрами: числовая апертура 0.2, Ап = 0.13, диаметр сердцевины 50 мкм: I - кривая для коэффгщиента корреляции распределений интенсивности опорного и текущего спекл-сигналов на выходе волоконного световода, 2, 3, 4 - экспериментальные кривые, измеренные для сигналов ПЗС и полученные соответственно при Л = 1.3

Я0, Я = 0.44 Я0, Я = 0.11 Я0.На врезке показан локальный фрагмент интерференционной картины до и после удлинения ВС на характерную величину А1„.

В главе 1 показано, что случайная погрешность измерения величины аксиальной деформации многомодового ВС в составе одноволоконного многомодового интерферометра методом прямого измерения корреляционной функции спекл-сигналов определяется статистическими флуктуациями коэффициента корреляции при обработке данных об интенсивности световых полей ограниченной апертуры, что иллюстрируется приведенными на рис. 4 зависимостями р,,(Д/), полученными при использовании различных опорных изображений. Установлено, что величина указанной погрешности не превышает 6% от характерного удлинения Д/„ (рис. 4).

Рис. 4 Зависимости р,, (Д/), полученные при использовании различных опорных изображений. Из них зависимости 1, 2, 3, 4 получены непосредственно при аксиальном растяжении ВС; 5 - получена при растяжении, вызываемом прогибом натянутого ВС.

Дополнительным условием минимизации погрешности в случае волоконного световода, работающего в режиме возбуждения малого числа мод, является введение в схему ОМИ диффузора для рассеивания лазерного излучения на выходе волоконного сиечоиода. В случае прямого измерения корреляционной функции спекл-сигналов на выходе одноволоконного многомодового интерферометра, работающего в режиме возбуждения малого числа мод, без применения диффузного рассеивателя, погрешность значительно возрастает, и зависимостир,2(Д/)ведут себя как показано на рис. 5 (кривые 3 и 4).

Рис 5 Зависимость коэффициента корреляции от величины удлинения ВС в ОМИ, работающем в режиме возбуждения малого числа мод: 1,2- экспериментальные кривые, полученные при прохождении излучения через диффузный рассеиватель, 3, 4 - экспериментальные кривые, полученные без использования диффузора при непосредственном освещении ПЗС излучением световода, 5 - экспериментальная кривая, полученная при усреднении результатов большого числа измерений, выполненных без использования диффузора.

Заметно, что эти кривые имеют вид случайных функций, значения которых значительно отличаются друг от друга и варьируются в широком диапазоне. Это приводит кочень большой, до 0.5Д/0, погрешности при определении величины удлинения ВС в ОМИ по данным корреляционных измерений. Для сравнения на этом же рисунке представлены кривые 1 и 2, полученные при тех же самых условиях, что, соответственно, зависимости 3 и 4, но с использованием диффузора. Видно, что они совпадают в пределах погрешности измерений. Таким образом, использование диффузного рассеивателя в схеме с ОМИ, работающим в режиме возбуждения малого числа мод. позволяет на порядок снизить абсолютную погрешность измерений удлинения волоконного световода в составе ОМИ от 0.5 Д/0 до 0.06 Д/„.

На рис. 5 представлена кривая 5, которая является результатом усреднения значений большого числа случайных функций для зависимости р,,(Д/), получаемых на выходе маломодового ВС без использования диффузора. Видно, что эта кривая очень близка к кривым 1 и 2. Таким образом, корреляционные характеристики рассеянного диффузором светового поля волоконного световода, работающего в режиме возбуждения малого числа мод, могут рассматриваться как результат усреднения соответствующих характеристик для множества неоднородных интерференционных полей, формируемых непосредственно ВС.

Показано, что температурная погрешность измерения относительного удлинения одноволоконного многомодового интерферометра определяется коэффициентом температурного расширения чистого кварца и равна 7.3 ■ 1 СГ7°С~'.

Показано, что малый изгиб волоконного световода, не приводящий к связи между модами, не оказывает влияния на результат измерения удлинения ВС в составе одноволоконного многомодового интерферометра.

Разработан макет волоконно-оптического измерительного преобразователя параметров деформаций, в котором реализуется метод прямого измерения корреляционной функции спекл-сигналов одноволоконного многомодового интерферометра. Характеристики устройства составляют: погрешность измерений удлинения ±3 мкм, динамический диапазон измерений 80 дБ, рабочая частота - до 25 Гц.

Вторая глава диссертационной работы посвящена исследованию физических принципов построения лазерных многоканальных волоконно-оптических измерительных систем, в том числе томографического типа, основанных на использовании одноволоконных многомодовых интерферометров и оптоэлектронной ПЗС системы обработки их спекл-сигналов, и предназначенных для мониторинга процессов деформации объектов.

Разработаны физические принципы построения многоканальной лазерной волоконно-оптической измерительной системы, основанных на использовании одноволоконных многомодовых интерферометров и оптоэлектронной ПЗС системы обработки их спекл-сигналов.

Установлено, что максимальное число каналов указанной системы ограничивается вследствие перекрестного влияния регистрируемых изображений спекл-картин и определяется величиной числовой апертуры волоконного световода в составе многомодового интерферометра, размером апертуры и разрешением матрицы ПЗС (рис. 6).

Рис. 6 Изображение спекл-картин, сформированных излучением б многомодовых ВС на поверхности ПЗС матрицы, Ит - расстояние между центрами спекл-картин, Л,, - радиус спекл-картины.

В качестве числового параметра, характеризующего перекрестную помеху, может быть использован коэффициент взаимовлияния Ар, который уменьшается с ростом расстояния между соседними спекл-картинами как показано на рис. 7.

Рис. 7 Зависимость коэффициента взаимовлияния Ар от расстояния между центрами изображений соседних спекл-картин.

Из представленных на рис. 7 данных видно, что перекрестная помеха становится пренебрежимо малой, когда И1П. »2,2где =Ш-Ь0- размер, определяемый числовой апертурой ВС, - расстояние от излучающего торца световода до плоскости фоточувствительной поверхности ПЗС. Исходя из этих данных, максимальное количество информационных каналов, одновременно обрабатываемых при помощи матрицы ПЗС с разрешением 640*480 пс, размером пикселя 12 мкм и для волоконного световода с параметрами числовая апертура 0.2, Ап = 0.13, диаметр сердцевины 50 мкм, оценивается в 12.

Время обработки данных измерительной системы не зависит от числа каналов и составляет 0.04 с, что равно времени обработки изображения спекл-картины одного многомодового волоконного световода.

Разработаны физические принципы построения лазерной многоканальной волоконно-оптической измерительной системы томографического типа для сбора дан-

ных о параметрах деформации объектов. Предложена топология расположения протяженных волоконно-оптических измерительных линий в форме петель различной длины, укладываемых вдоль выделенного направления на поверхности или в объеме исследуемого объекта (рис. 8).

Рис. 8 Топологш размещения волоконно-оптических измерительных линий (1) вдоль одной пространственной координаты 2 на поверхности исследуемого объекта (2)

Разработаны математические методы и вычислительные пакеты для обработки массивов интегральных данных, получаемых одномерной лазерной волоконно-оптической измерительной системой томографического типа.

Показано, что распределение величины удлинения ОМИ Л/,(2) вдоль продольной координаты Ъ (рис. 8) определяется при решении системы п - уравнений

Я,, =£Ц, где 51,,- удлинение п- го световода в ОМИ, закрепленного на контроли-

м

руемой поверхности, Д/; - удлинение световода на ¡'- м участке контролируемой поверхности (рис. 8).

Показано, что решение системы позволяет восстанавливать распределение аксиальной деформации контролируемого объекта вдоль единственной пространственной координаты. На рис. 9 продемонстрированы экспериментальные результаты восстановления пространственного распределения поля поперечных смещений упругой балки одномерной лазерной волоконно-оптической измерительной системой томографического типа.

Рис. 9 Восстановление распределения поля деформации упругой балки (положение нагрузки указано стрелками)

В третьем главе настоящей работы изучены особенности измерения деформационных смещений диффузных объектов методом прямого измерения корреляционной функции спекловых сигналов с применением приборов с зарядовой связью, а также проводятся исследования поведения челюстно-лицевой костной ткани человека в режиме действия внешней нагрузки, эквивалентной жевательному процессу.

Показано, что зависимость коэффициента корреляции между текущим и опорным изображениями спеклового поля, формируемого при рассеянии лазерного излучения диффузными объектами, определяется согласно выражению

спекла, а - поперечное смещение диффузного объекта. В случае, когда смещение диффузного объекта меньше корреляционного радиуса, коэффициент корреляции оказывается достаточно высок и по его измеренному значению можно определять величину смещения.

Определены оптимальные условия регистрации ПЗС системами спекл-сигналов, полученных при рассеянии лазерного излучения диффузными объектами и установлено, что указанные условия аналогичны таковым в случае регистрации лазерного излучения, прошедшего через многомодовый волоконный световод в составе одноволо-конного многомодового интерферометра.

Экспериментально продемонстрировано, что разработанный метод прямого измерения корреляционной функции спекл-сигналов многомодового ВС в составе од-иоволоконного многомодового интерферометра может быть применен и для измерения поперечных смещений диффузных объектов в диапазоне смещений, значительно превосходящих корреляционный радиус картины спеклового поля. Экспериментально установлено, что метод позволяет проводить неинвазивные измерения деформации челюстно-лицевой костной ткани в диапазоне нагрузок, имитирующих жевательный процесс с погрешностью 10 мкм.

На рис. 10 приведены экспериментальные кривые, полученные с использованием метода прямого измерения корреляционной функции спекл-сигналов и демонстрирующие деформационные смещения различных участков челюстно-лицевой костной ткани при различных значениях действующей нагрузки.

Продемонстрирована возможность применения метода прямого измерения корреляционной функции спекл-сигналов, получаемых при рассеянии лазерного излучения диффузными объекта, для количественной оценки условий работы различных видов протезов и оптимизации их конструкций.

корреляционный радиус, равный среднему размеру

тПа) Р(МПа)

а) б)

Рис. 10 Зависимость смещения анатомического препарата от величины прикладываемой нагрузки: а) 1 и 2 - зависимости а(Р), полученные, соответственно, при увеличении и уменьшении нагрузки на группу зубов с обозначением 12345; б) 1 и 2 - зависимости а{Р), полученные, соответственно, при увеличении и уменьшении нагрузки на группу зубов с обозначением \2345.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Установлено, что статистические и корреляционные свойства измеренных оп-тоэлектронными ПЗС системами сигналов о пространственном распределении ин-тенсивностей спекл-модулированных световых волн зависят от режима работы прибора с зарядовой связью, используемого для их регистрации. Соответствие свойств исходных и регистрируемых спекл-сигналов достигается при обеспечении оптимального режима регистрации спекл-сигналов ПЗС.

Оптимальные условия регистрации спекл-сигналов ПЗС заключаются в следующем:

- расстояние Ь между формирующим спеклы объектом и ПЗС должно удовлетворять условию - «I«— АПЗС (где £> - это диаметр светового пучка, форми-

Л Л

рующего спеклы, £ - расстояние от объекта до плоскости наблюдения, Я - длина волны излучения, <5ПС - поперечные размеры элемента матрицы ПЗС, Длк. - размеры светочувствительной площадки ПЗС).

- статистический параметр распределения интенсивности света в регистрируемой спекл-картине Х/Хтт(где X - среднее зарегистрированное значение интенсивности, Xш - максимальное значение зарегистрированной интенсивности) не превышает 0.15.

- оптимальный радиус регистрируемой спекл-картины, формируемой многомо-довым волоконным световодом лежит в пределах - /<„ / 3 + Н„, (где /?„ - радиус участка спекл-картины, в пределах которого ПЗС матрицей регистрируется 80% световом мощности).

2. Показано, что оптимальный режим регистрации обеспечивает проведение измерений коэффициента корреляции распределений интенсивностей полей в случае трансляции и кипения спеклов, соответственно, обусловленных поперечными смещениями диффузных объектов и аксиальной деформацией волоконных световодов.

3. Установлено, что в случае кипения спеклов, вызываемого удлинением много-модового волоконного световода, характерная величина Д/0 удлинения ВС, определяющая декорреляцию начального и текущего пространственных распределений ин-тенсивностей спекловых полей, не совпадает с корреляционным радиусом а0 при трансляции спекл-картин, не зависит от размеров спеклов, а определяется длиной волны источника, дисперсионными и механическими параметрами световодов в соответствие с полученными в настоящей работе соотношениями.

4. Показано, что статистические флуктуации коэффициента корреляции интен-сивностей световых полей ограниченной апертуры определяют минимальное значение погрешности измерения аксиальной деформации многомодового волоконного световода. Данное значение не превышает 6% от характерной величины Д/0 в случае удлинения волоконного световода, и достигается при соблюдении оптимальных условий регистрации лазерного излучения приборами с зарядовой связью. Дополнительным условием минимальной погрешности для случая работы волоконного световода в режиме возбуждения узкого модового спектра является применение диффузора для рассеивания излучения на выходе волоконного световода. Температурная погрешность измерения относительного удлинения многомодового волоконного световода близка к коэффициенту температурного расширения чистого кварца и равна 7.3- 10"7°С"'.

5. Последовательная перезапись опорных сигналов о пространственном распределении интенсивности спекл-модулированных волн позволяет проводить измерения величин удлинений многомодовых волоконных световодов, значительно превышающие характерную величину Д/0, а так же позволяет устанавливать направление деформации.

6. На основе разработанного метода обработки случайно-неоднородных спекловых полей рассеянного лазерного излучения оптоэлектронными ПЗС системами разработаны и исследованы макеты конструкций волоконно-оптических измерительных преобразователей для измерения параметров продольной и поперечной деформации объектов в статическом и динамическом режимах. Показано, что макеты обеспечивают в частотном диапазоне 0-^25 Гц измерение величины смещений деталей механизмов при их возвратно-поступательном движении с точностью ±3 мкм в диапазоне 0-50 мм и величины смещения элементов биологического препарата челюсти человека с точностью ±10 мкм в диапазоне 0^-7 мм. Экспериментально определены величины поперечных деформационных смещений и остаточных деформаций в челюстно-лицевых костях человека для различных участков челюстно-лицевой костной ткани в случае приложения нагрузки, имитирующей жевательную.

7. Разработаны физические принципы построения многоканальной лазерной волоконно-оптической измерительной системы, основанной на использовании одново-локонных многомодовых интерферометров и оптоэлектронной ПЗС системы обработки их спекл-сигналов. Определено максимальное число измерительных каналов такой системы в зависимости от числовой апертуры используемого многомодового волоконного световода, размеров апертуры и разрешения матрицы ПЗС. Разработаны алгоритмы и программные пакеты для обработки выходных сигналов многоканальной лазерной волоконно-оптической измерительной системы.

8. Разработаны физические принципы построения и топология одномерной лазерной волоконно-оптической измерительной системы томографического типа для сбора данных о параметрах деформации объектов. Разработаны математические методы и

вычислительные пакеты для обработки массивов получаемых ею интегральных данных. Экспериментально продемонстрировано восстановление пространственного распределения поля поперечных смещений упругой балки.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих печатных работах:

1. Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, А.Д. Ланцов. Корреляционный метод обработки спекловой картины сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров с использованием приборов с зарядовой связью // Квантовая Электроника - 2006. Г. 36, №4.-С. 339-342.

2. Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, А.Д. Ланцов, Корреляционная обработка сигналов одноволоконного многомодового интерферометра в режиме возбуждения малого числа мод при измерениях деформационных воздействий // Квантовая Электроника - 2008. Т. 38, № 1. - С. 56 - 58.

3. Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, А.Д. Ланцов, В.А. Воробьев, Ю.Н. Москвин. Спекл-корреляционный метод измерения величины деформации челюстно-лицевой костной ткани // Автометрия - 2008. Т. 44, №3. - С. 99 - 105.

4. Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, А.Д. Ланцов, Одномерная томографическая волоконно-оптическая измерительная система на основе одноволоконных многомодовых интерферометров // Фотон-экспресс - 2007. Т.6, № 62. - С. 50 - 51

5. Yu. N. Kulchin, О. В. Vitrik, A.D. Lantsov, V.A. Vorobiev, Yu.N. Moskvin Speckle-Correlation Method for Measuring Maxillofacial Bone Tissue Deformations // Pacific Science Review - 2006. - Vol.8 (1) - p. 1 - 5.

6. Yu. N. Kulchin; О. B. Vitrik; A. D. Lantsov, Correlation method of processing single fiber multimode interferometer (SFMI) signals using a charge coupled device // Fundamental Problems of Optoelectronics and Microelectronics III, SPIE Proc., Vol. 6595 -2006

7. Yu. N. Kulchin; О. B. Vitrik; A. D. Lantsov, Processing of the signals of the single-fiber intermode interferometer with a small number of excited modes by using an electronic correlation method // Optical Modeling and Performance Predictions III, SPIE Proc., Vol 6675-2007

8. Yu. N. Kulchin; О. B. Vitrik; A. D. Lantsov, Processing of the signals of the single-fiber intermode interferometer with a small number of excited modes // Key Engineering Materials, Trans Tech Publications Ltd., Vols. 381-382, p. 627-630 - 2007

9. Yu. N. Kulchin; О. B. Vitrik; A. D. Lantsov, One-dimensional tomographic fiber-optic measuring system based upon single fiber multimode interferometers // Remote Sensing System Engineering, SPIE Proc., Vol. 7087 - 2008

10.Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, А.Д. Ланцов, Особенности организации 1-D томографических исследований на основе одноволоконных многомодовых интерферометров // Инновационные технологии в повышении надежности и долговечности строительных конструкций: материалы международной науч.-техн. конф., поев. 85-летию со дня рождения проф. П. П. Ступаченко - Владивосток: Изд-во ДВГТУ. -С. 22-24.2008

Личный вклад автора: Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично.

ЛАНЦОВ Алексей Дмитриевич

ПРЯМАЯ КОРРЕЛЯЦИОННАЯ ОБРАБОТКА СПЕКЛ-МОДУЛИРОВАННОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДЕФОРМАЦИИ ОБЪЕКТОВ

Автореферат

Подписано к печати 22.11.2008 Усл. печ. л. 1 Уч.-изд. л. 0.83

Формат 60x84/16 Тираж 100 экз. Заказ 44

Издано ИАПУ ДВО РАН, г. Владивосток, ул. Радио, 5. Отпечатано в ИАПУ ДВО РАН, г. Владивосток, ул. Радио, 5.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОСОБЕННОСТИ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ОДНОВОЛОКОННЫХ многомодовых ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИБОРОВ С С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ.

1.1 Корреляционные свойства спекл-сигналов, формируемых при прохождении лазерного излучения через многомодовый волоконный световод в составе одноволоконного многомодового интерферометра.

1.2 Статистические и корреляционные свойства сигналов ПЗС о пространственном распределении интенсивностей лазерного излучения, прошедшего через многомодовый волоконный световод в составе одноволоконного многомодового интерферометра.

1.3 Измерение величины удлинения волоконного световода в составе одноволоконного многомодового интерферометра методом прямого измерения корреляционной функции.

1.4 Корреляционные свойства спекл-сигналов, формируемых при прохождении лазерного излучения через многомодовый волоконный световод в составе одноволоконного многомодового интерферометра, работающего в режиме возбуждения малого числа

2 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МНОГОКАНАЛЬНЫХ

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА

ОСНОВЕ МЕТОДА ПРЯМОГО ИЗМЕРЕНИЯ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ФУНКЦИИ СПЕКЛ-СИГНАЛОВ И ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ.

2.1 Особенности построения многоканальных волоконно-оптических измерительных системна основе метода прямого измерения корреляционной функции спекл-сигналов ОМИ и приборов с зарядовой связью.

2.2 Одномерная измерительная система томографического типа на основе измерительных линий с интегральной чувствительностью.

2.3 Экспериментальное восстановление прогиба балки вдоль одной пространственной координаты двухканальной измерительной системой на основе одноволоконных многомодовых интерферометров.

3 ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ ПРЯМОГО ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА КОРРЕЛЯЦИИ ИНТЕНСИВНОСТЕЙ СПЕКЛОВЫХ ПОЛЕЙ.

3.1 Особенности выполнения измерений микроперемещений диффузных объектов на основе метода прямой корреляционной обработки спекловых полей.

3.1 Экспериментальное измерение величины смещения челюстнолицевой костной ткани человека методом прямой корреляционной обработки спекловых сигналов.

Фундаментальные открытия в области физической и квантовой оптики второй половины XX века, бурное развитие лазерной техники, оптоэлектроники, волоконной оптики привели к разработке и широкому распространению новых прецизионных оптических методов измерений практически во всех областях науки и техники [1-5]. Это объясняется тем, что данные методы являются неконтактными, дистанционными, высокочувствительными, они устойчивы к электромагнитной помехе, обеспечивают регистрацию параметров быстропротекающих процессов и позволяют проводить измерения в широком диапазоне изменения температуры, давления и других параметров окружающей среды. Бурное развитие современной техники с характерными для нее высокими требованиями к точности и надежности исполнительных машин и механизмов, особенно используемых в авиации, флоте, космических аппаратах, строительстве, повсеместный переход к автоматизации производственных процессов открыли новую перспективную сферу применения оптических методов для создания автоматизированных систем контроля и управления техническими процессами и объектами [1-2, 6-10].

Высокую точность таким системам обеспечивает использование когерентного света для реализации различных дифракционных, спектральных или интерференционных измерительных схем.

Однако большинство прозрачных и непрозрачных объектов, параметры которых требуется измерить, а зачастую и оптические детали измерительных систем являются в той или иной степени случайно-неоднородными в масштабе длин световых волн [11-13]. Поверхности объектов шероховаты, прозрачные элементы оптических систем содержат включения, сама атмосфера, сквозь которую распространяются световые лучи, содержит микрофлуктуации плотности газа [14]. Поэтому когерентные световые пучки на выходе оптических измерительных систем часто становится пространственно неоднородным и, будучи направлены на экран, формирует картину со множеством хаотически расположенных темных и светлых пятен, которые называются спеклами [15-20]. Физическая причина формирования таких структур состоит в том, что каждый из элементов изображения в плоскости наблюдения представляет результат когерентного сложения возмущений световой волны, сформированных множеством различных рассеивающих центров. Это приводит к очень сложной картине интерференции световых возмущений - то есть к спекл-картине (рис. 1).

Рис.

На первом этапе развития когерентной оптики наличие зашумляющей пучки с пекло вой структуры рассматривалось только как недостаток измерительных систем или систем формирования изображений. Однако основополагающие исследования Берча и Токарского [21] показали, что явление формирование спекл-структуры может найти применение для создания основ измерительной техники нового типа. Эти исследования,

Деформационное воздействие

Диффузный объект

С п екл - структур а

1. Формирование еп екл-cmрук тур ы диффузным объектом. получившие дальнейшее развитие в работах М.Франсона [15], Дж. Гудмена [17-19, 22], Ч.Веста [23] и ряда других ученых [24-30] привели к формированию в 60-70 гг. XX века нового направления в метрологии - спекл-интерферометрии [15-17, 31-50]. Основываясь на интерференционном сравнении спекловых полей, формируемых объектами в различные моменты времени методы спекл-интерферометрии позволяют получить информацию и о величине перемещения шероховатых объектов, скорости движения, расстоянии до его поверхности, амплитуде и частоте его вибраций и т.д. [17, 51-60]

Начиная с 80-х годов XX века классические методы спекл-интерферометрии получили дальнейшее развитие, что позволило значительно расширить диапазон применения данного подхода в задачах метрологии [32]. В частности, оказалось возможным разрабатывать методы измерений, способные адаптироваться к случайным изменениям пространственной структуры спекл-модулированных волн, вызываемой неконтролируемыми внешними факторами [61], обеспечивать режим реального времени в случае регистрации динамических спеклов, когда объекты перемещаются с высокими скоростями [62]. Новым применением таких методов стала обработка сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров (ОМИ) [63-70], которые формируют спекл-структуры на выходе многомодового волоконного световода (ВС) в результате когерентного сложения полей большого числа собственных волн с очень сложным пространственным распределением амплитуды по поперечному сечению световода [71, 72] и практически произвольными фазами (рис. 2).

Деформационное воздействие

Рис. 2 Формирование спекл-структуры многомодовым световодом в составе ОМИ.

Изменение картины спеклового поля при внешнем воздействии на формирующий с пекл-структуру объект может иметь характер трансляции либо кипения [73]. Трансляция представляет собой смещение спекл-структуры в плоскости наблюдения без ее изменения. Кипение характеризуется хаотичным перестроением отдельных спеклов, составляющих с пекл-структуру.

Трансляция наблюдается [73] при перемещении диффузора без изменения формы в поперечном направлении (перпендикулярно оси Z на рис. 1) на расстояния много меньше диаметра освещающего его светового пучка [15]. Указанный эффект наблюдается в ближней от диффузоров зоне наблюдения при расстоянии от диффузора до точки регистрации спекл

D2 структуры намного меньше величины Йм = 1.22Д ? где D - диаметр пучка, а Я — длина волны излучения.

Трансляция спеклов может иметь место и при поперечных смещениях многомодового световода, если только такое перемещение не влияет на амплитуды и фаз направляемых по ВС мод. Поэтому такой режим изменения спекл-картины не реализуется при использовании ВС в качестве чувствительного элемента интерферометров.

Кипение имеет место при наблюдении спекл-картины в дальней от диффузоров зоне на расстоянии намного больше [73], когда перемещения диффузоров становятся сравнимыми с диаметром освещающего пучка. В этом случае большинство из рассеивающих центров выходит из освещаемой области и замещаются новыми, что и приводит к полной перестройке спекл-структуры.

В случае многомодового ВС (рис. 2) кипение спекл-структуры реализуется независимо от расстояния до плоскости наблюдения, если между модами ВС появляется дополнительная разность фаз, например, вследствие аксиального растяжения световода.

Различия типов трансформации спекл-структур определяют различия в измерительных методах, используемых при их обработке.

В случае трансляции спеклов обычно используют методы лазерной спекл-интерферометрии, такие как двухэкспозиционную спекл-фотографию, корреляционную спекл-интерферометрию и их модификации [15-17, 23, 33].

Сущность двухэкспозиционной спекл-фотографии может быть описана следующим образом. На фотопластинке в результате двухэкспозиционной записи спекл-структур, соответствующих начальному и измененному состояниям объекта, и последующей фотохимической обработки оказываются зарегистрированными две идентичные взаимно смещенные спекл-картины. Фотопластинку, которую теперь можно назвать спеклограммой, освещают лазерным пучком с плоским фронтом, который испытывает дифракцию на двойной тонкой спекл-структуре изображения объекта. В дифракционном поле формируется система параллельных интерференционных полос. По ориентации и периоду полос устанавливают направление и величину вектора смещения спеклов на спеклограмме, а по нему - смещение соответствующих точек поверхности [33]. Регистрирующая среда должна разрешать записываемую спекл-структуру, наименьшие элементы которой имеют микронные значения при достаточно большом относительном отверстии изображающей оптической системы. Обычно требуется фотопластинка с разрешением не менее 103 линий на мм [33].

Впервые двухэкспозиционная запись спеклограммы была предложена в работах [21, 36]. В этих опытах смещение объекта, формирующего спеклы, определялось по изменению контраста интерференционных полос, регистрируемых на спеклограмме.

Другая ранняя схема спекл-фотографии, описанная в работе [74], предусматривает освещение диффузного объекта по двум направлениям, что позволяло проводить измерения смещений (составляющих смещения) только вдоль поперечного направления [74].

Модификацией этой схемы явилась система, в которой производится одностороннее освещение объекта в сочетании с пространственной фильтрацией рассеянного объектом поля путем введения в плоскость апертуры изображающей системы двух пространственно разнесенных отверстий [75]. Каждый индивидуальный спекл регистрируемой картины в этом случае в силу малого размера отверстий оказывается промодулированным высокочастотной пространственной несущей, частота которой определяется угловым расстоянием между этими отверстиями [75]. Спеклограммы, получаемые с помощью такой системы, так же как и для схемы, предложенной в работе [74], содержат информацию о поперечной составляющей смещения объекта, однако в данном случае используется лишь один освещающий пучок.

Дальнейшее развитие этого метода, состоящее в использовании изображающей системы с двумя парами симметричных отверстий (щелей) [76], позволило измерять составляющие смещения диффузора по двум осям.

В настоящее время для регистрации поперечных смещений объекта методами двухэкспозиционной спекл-фотографии обычно используется схема, которая не требует экрана с отверстиями [33]. Она представлена на рис. 3. Регистрирующая среда - фотопластинка (4) помещается в плоскости изображения объекта (2).

Рис. 3 Оптическая схема записи двухэкспозиционной спеклограммы, реализующая возможность измерения поперечных смещений объекта: 1 — освещающий лазерный пучок, 2 - объект с шероховатой поверхностью, 3 — линза, 4 - фототастинка

Определение направления и величины смещения исследуемого объекта так же осуществляется по ориентации и периоду интерференционных полос на спеклограмме.

При внесении в схему определенных изменений реализуется возможность измерения изгибных деформаций поверхности объекта или ее наклон (рис. 4).

Рис. 4 Оптическая схема записи двухэкспозиционной спекл-фотографии, реализующая возможность измерения изгибных деформаций объекта:

1 - освещающий лазерный пучок, 2 -линза, 4 - фотопластинка

- объект с шероховатой поверхностью, 3

В этом случае фотопластинка (4) помещается в расфокусированной области, включающей заднюю фокальную плоскость, в которой формируется Фурье-образ объекта. При наклоне поверхности спеклы в плоскости изображения остаются практически неподвижными, но смещаются в расфокусированной области на величину, прямо пропорциональную косинусу угла падения на объект освещающего лазерного пучка, что дает возможность проведения измерений величины угла наклона объекта.

Рис. 5 Оптические схемы наблюдения картины интерференционных полос в плоскости изображения спеклограммы: 1 — освещающий лазерный пучок, 2 — двухэкспозиционная спеклограмма, 3 и 5 - линзы, 4 - экран с малым отверстием (пространственный фильтр), 6 — плоскость изображения спеклограмм ы.

Используя схему с двойным преобразованием Фурье и пространственной фильтрацией дифрагированного на спеклограмме излучения [33] (рис. 5), на спеклограмме можно наблюдать картину интерференционных полос, отражающих неоднородное смещение поверхности объекта. В фокальной плоскости второй из линз, выполняющей Фурье-преобразование, наблюдается изображение спеклограммы, промодулированное интерференционными полосами, форма и пространственный период которых определяются смещением спеклов на спеклограмме и положением фильтрующего отверстия. Полосы образуются, в результате интерференции элементарных волн от пар идентичных спеклов. Чтобы эти волны пространственно перекрывались в плоскости изображения и интерферировали, оптическая система не должна разрешать взаимное смещение идентичных спеклов на спеклограмме. Поэтому отверстие должно быть достаточно малым, иначе полосы исчезают [33].

В настоящее время методы двухэкспозиционной спекл-фотографии применяются для исследования распределения локальных деформаций в нанокристаллической керамике [77], для экспериментального определения напряженно-деформированного состояния ответственных элементов и узлов машиностроительных конструкций [78] и ряда других исследований [78-81].

Методы спекл-интерферометрии, обладают высокой чувствительностью к деформационным смещениям исследуемых объектов [15, 17]. Однако необходимость двукратного экспонирования спекл-структуры на фотопластинке [15, 17] предполагает использование трудоемких и длительных фотографических процессов обработки спеклограмм, что не дает возможности оперативного проведения измерений параметров деформации исследуемых объектов.

Это потребовало применения иных, не требующих фотообработки, регистрирующих сред, из которых оптоэлектронные системы на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) являются, по-видимому, наиболее перспективными [82]. Они обладают более широким участком линейности регистрации излучения чем фотопластинки, существенно большей фоточувствительностью, а так же относительно низкой стоимостью. С появлением ПЗС существующие методы корреляционной спекл-интерферометрии, не требующие записи двухэкспозиционной спеклограммы, оказались одними из наиболее перспективными для измерения параметров деформации объектов.

В корреляционной спекл-интерферометрии [17, 33, 83-85] наблюдают полосы корреляции для пространственных распределений интенсивностей оптических спекловых полей.

В схеме корреляционной спекл-интерферометрии рассеянную волну от диффузора сводят с дополнительной когерентной волной. В результате в плоскости наблюдения формируется интерференционное поле с распределением (х, y) = IR (х, у) + 1 (х, у) + 2д//„ (х, у)1 (х, у) cos А(рп (х, у) s где 1 (х> У) - распределение интенсивности рассеянной волны, 1ц(х>У) - интенсивность дополнительной волны, &<РЛХ>У) - пространственное распределение разности фаз между интерферирующими волнами. Малое поперечное смещение объекта на расстояние много меньшее диаметра освещающего пучка приводит к появлению детермированного фазового сдвига Ьу/(х,у) между двумя интерферирующими волнами. В результате распределение интенсивности в плоскости наблюдения станет описываться выражением

U (*> У) = У) +1 У) + 2л/7«У)1 (х> У) C0S(A<Рп (*> У) + д Wк (х, у)). Как видно, полученное распределение будет совпадать с исходным распределением 1ЛХ>У) в точках плоскости наблюдения, где разность фаз &у/(х,у) равна 2лту где т — целое число. В этих точках корреляция между спекл-картинами максимальна. В промежуточных значения имеет место частичная или полная декорреляция распределений интенсивностей ^(Х>У) и 1?(х,у). Поэтому при наложении видеокадров изображений спекл-картин 1ЛХ>У) и 1АХ>У) с последующей их цифровой обработкой получают полосы корреляции изображений, описывающие смещения точек поверхности формирующего спеклы объекта. В этом случае формирующиеся полосы не являются сплошными, а промодулированы спеклами, что затрудняет определение их местоположения. Это требует дополнительной программной обработки получаемых изображений.

Методы корреляционной спекл-интерферометрии позволяют проводить измерения таких параметров исследуемых диффузных объектов как шероховатость поверхности [17], амплитуда и частота вибрации объекта [17, 86], поперечные смещения объекта [17, 87] и скорость его смещения [8890],.

При измерении шероховатости поверхности [17] в плоскости наблюдения фиксируются спекл-структуры, формирующиеся диффузным объектом при двух различных длинах волн освещающего излучения. Корреляция двух фиксируемых спекл-картин зависит от средней высоты неоднородности поверхности, формирующей спекл-структуру, причем с уменьшением высоты шероховатости корреляция между двумя указанными спекл-структурами растет. По измеренному значению корреляции между этими спекл-структурами можно определить величину шероховатости исследуемого объекта [17].

Метод измерения амплитуды вибрации исследуемого объекта основан на зависимости контраста регистрируемой спекл-структуры от амплитуды вибрации исследуемого объекта при вибрационном воздействии [86]. При увеличении амплитуды вибрации исследуемого объекта контраст полос корреляции уменьшается, что позволяет определять амплитуду вибрации по измеренной величине контраста полос корреляции.

Для организации измерения скорости движения потока жидкости с помощью корреляционной спекл-интерферометрии используется схема, показанная на рис. 6. Как показано в работе [88], при фиксированной геометрии рассеяния излучения от исследуемого объекта скорость потока обратно пропорциональна положению максимума взаимной корреляционной функции динамического спеклового поля, формирующегося потоком жидкости. При помощи персонального компьютера (8) (рис. 6) строится оценка взаимной корреляционной функции спекл-сигналов, регистрируемых фотоприемниками (5) (рис. 6), определяется положение ее максимума и вычисляется скорость потока.

Рис. 6 Схема установки для мониторинга динамики лимфотока в микрососудах: 1 —цифровая видеокамера, 2 —микрообъектив. 3 —He—Ne лазер, 4 — делитель пучка, 5 — фотодиод, 6 — красный светофильтр, 7 —преобразователь фототока, 8 —ЭВМ, 9 —зеленый светофильтр, 10 — зеркало, 11 — осветитель, 12 — термостатированный столик, 13 — лимфатический микрососуд.

Схема метода измерения скорости движения твердых тел при использовании обработки с пекл-структур предложена в работах [89-90]. Схема проведения измерений приведена на рис. 7. Изображение спеклов от движущегося объекта (1) (рис. 7), формирующееся линзой (2), движется с постоянной скоростью в направлении, перпендикулярном полосам фильтра пространственных частот (3). Излучение, проходящее сквозь фильтр, регистрируется фотоприемником (4). Колебания интенсивности зарегистрированного фотоприемником излучения имеют период, прямо пропорциональный периоду фильтра и обратно пропорциональный скорости движения объекта. Измеряя частоту модулированного сигнала на выходе фотоприемника, можно определить скорость движения объекта.

Рис. 7 Схема организации измерения скорости движения объекта: 1 — движущийся объект, 2 —линза, 3 —фильтр пространственных частот, 4 — фотодиод

Методы корреляционной спекл-интерферометрии применяются в областях, связанных с исследованием виброакустической устойчивости энергоустановок [91], неразрушающим контролем качества многослойных металлических материалов [92], контролем качества поверхности обрабатываемых деталей в машиностроении [93] и в ряде других областей

Методы корреляционной спекл-интерферометрии обладают высокой чувствительностью при измерениях деформационных воздействий, а также позволяют проводить измерения параметров деформации исследуемых объектов в режиме реального времени, поскольку отсутствует необходимость 1 4

17, 94]. фотографической регистрации двух изображений спекл-структуры [33]. Однако разрешающей способности ПЗС зачастую бывает недостаточно для регистрации полос корреляции [33], период которых может быть меньше предела разрешающей способности приборов с зарядовой связью.

Важной особенностью методов двухэкспозиционной спекл-фотографии и корреляционной спекл-интерферометрии является то, что они могут быть применены только при трансляции спеклов, формируемых исследуемыми объектами. Как отмечалось выше, такой режим преобразований спекл-структур реализуется не всегда при перемещении диффузоров и практически никогда при деформационных воздействиях на многомодовые ВС.

В случае кипения спеклов для извлечения количественной информации о параметрах деформации объектов предпочтительнее оказывается применение методов прямого измерения корреляции между заранее записанным изображением исходного распределения интенсивности в спекл-картине и текущим распределением интенсивности без формирования картины интерференционных полос или полос корреляции [68, 95-96].

Возможность проведения прямых измерений корреляционной функции интенсивностей кипящих спеклов проиллюстрирована на рис. 8. Оптическая схема включает в себя две фотопластинки, на первой из которых записывается фотографическое изображение исходного распределения Л СХ>У), на второй измененного текущего распределения ^(^У) (рис. 8, а). Если предположить, что в процессе записи фотопластинок амплитудное пропускание каждой из них линейно зависит от интенсивности падающего света, пропускание пакета из двух наложенных фотопластинок Т в точке с координатами будет пропорционально произведению интенсивностей

1\(Х>У) и h(x>y). При освещении такого пакета широким плоскопараллельный световым пучком (рис. 8, а) полная мощность прошедшего света определиться интегрированием функции Т(Х>У) по пространственным координатам в пределах апертуры освещающего пучка. Если эту апертуру ограничить диафрагмой так, что в освещаемую зону попадает только область So, прошедшая мощность оказывается пропорциональной корреляционной функции < 1\{х,у)12{х^у) >\

Рис. 8 Системы пространственной фильтрации для измерения корреляционной функции распределений интенсивное тей в спекаетрук турах: а) система с наложением фотопластинок: 1 - диафрагма, 2,3 — фотопластинки с записанными распределениями интенсивности спекл-структур, 4 — объектив, 5 — фотоприемник, б) система с пространственным фотографическим фильтром: 1 -одноволоконный многомодовый интерферометр, 2 фотографический, 3 — объектив, 4 — фотоприемник, в) система с пространственным голографическим фильтром: 1 одноволоконный многомодовый интерферометр, 2 - голографический фильтр, 3 - восстановленная волна, 5 - фотоприемник.

Система, основанная на указанном принципе, может быть реализована с использованием только одной фотопластинки, на которой записывается распределение интенсивности исходного поля [97]. Если обработанную фотопластинку, поместить в точности такое же положение, которое она занимала на стадии записи, то при ее освещении волной с измененным распределением интенсивности 1г(х>У) (рис. 8, б) полная мощность прошедшего света, собранного в фокусе объектива, вновь будет пропорциональна величине корреляционной функции. В этом случае записанная пластинка будет являться фотографическим амплитудным пространственным фильтром, выполняющей изменения корреляционной функции в реальном времени. В этом качестве она была использована для обработки спекл-сигналов ОМИ. Наряду с простотой, данную схему отличает возможность проведения измерений параметров деформации объектов в режиме реального времени.

Измерения корреляционной функции в реальном времени можно реализовать и с использованием голографических пространственных фильтров [98]. Если направить на фотопластинку интерференционное поле спекл-модулированной волны и плоской волны А (рис. 8, в), то, после обработки пропускание фотопластинки станет пропорциональным * * * * \ интенсивности суммарного поля этих волн Т~\ЕХЕХ + ЕХА +Е: А +АА ) где *

- символ комплексного сопряжения. Если полученную таким способом голограмму осветить волной сформированной после внешних воздействий на ОМИ, то световое поле прошедшей волны будет содержать компоненту, пропорциональную Е2ЕХ А, которая соответствует восстановленному на голограмме полю плоской волны. Интенсивность восстановленной когерентной волны при этом будет пропорциональна произведению ^(х^УУг^'У), поскольку с точностью до постоянного коэффициента /,=£,£, и 12=Е2Е2. Таким образом суммарная мощность восстановленной на голографическом фильтре волны, собираемой объективом на входном окне фотоприемника (рис. 8, в), оказывается пропорциональной корреляционной функции < 1\(х>у)1г{х,у) >, где угловые скобки означают процедуру усреднения. Данный метод обеспечивает высокую чувствительность к деформационному воздействию на объект, однако при этом оптическая схема является достаточно сложной [98].

В работах [66, 68, 98-99] показано, что методы прямого измерения коэффициента корреляции спекловых полей позволяют решать задачи получения количественной информации о величине аксиальной деформации одноволоконного многомодового интерферометра [66, 68, 98-99]. Однако диапазон измерений параметров деформации ограничен такими предельными значениями, при которых коэффициент корреляции текущего и опорного распределений спекловых полей становится близок к нулю [98-99]. Выход за пределы рабочего диапазона возможен не только при измерениях параметров слишком больших деформаций, но также вследствие неконтролируемых факторов окружающей среды, прямо или косвенно влияющих на пространственное распределение интенсивности в спекл-картине, например, вследствие дрейфа температуры [98-99].

Перспективными направлением в решении задачи прямого измерения корреляционной функции спекл-сигналов для измерения параметров деформации объектов в широком диапазоне их изменения является переход к оптоэлектронным системам регистрации, основу которых составляют приборы с зарядовой связью. Применение ПЗС обеспечивает возможность оперативно проводить перезапись опорного изображения картины спеклового поля и сохранять результат в памяти ЭВМ для проведения дальнейших вычислений [82], что, при условии разработки соответствующего программного обеспечения, так же предоставляет возможность автоматизировать проведение измерений параметров деформационных воздействий на формирующие спеклы объекты.

Использование ПЗС в схеме прямой корреляционной обработки спекл-сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров потенциально дает возможность создания не только точечных измерительных преобразователей, но и многоканальных волоконно-оптических измерительных систем за счет регистрации излучения на выходе множества ОМИ единой матрицей с синхронной обработкой информации при помощи ЭВМ, сопряженной с измерительной системой. Такой подход открывает перспективу создания мультиплексированных лазерных измерительных систем, а также волоконно-оптических измерительных систем томографического типа [1-2].

Волоконно-оптические системы томографического типа способны обеспечить решения широкого класса фундаментальных и прикладных задач требующих проведения мониторинга параметров физических полей на контролируемых поверхностях технических и природных объектов большой площади. Решение достигается за счет использования протяженных измерительных линий с интегральной чувствительностью, в качестве которых наиболее перспективно применение одноволоконных многомодовых интерферометров [100-101]. [72]. Использование ПЗС дает возможность решить одну из основных проблем при создании волоконно-оптических томографических систем, состоящую в необходимости синхронного приема и ввода в ЭВМ информации от большого количества измерительных линий на основе ОМИ.

Обработка, связанная с прямыми измерениями корреляционной функции спекловых полей, оптимальна для случая «кипящих» спекловых полей. Однако она может быть использована и в случае трансляции спеклов. Это обуславливает универсальность такого подхода, который может быть использован и для изучения параметров деформации диффузных биологических объектов, что актуально для ряда областей, в том числе медицины [102]. Прямое вычисление корреляционной функции не требует формирования интерференционных полос или полос корреляции, поэтому от ПЗС не требуется сверхвысокой разрешающей способности, что является дополнительным преимуществом.

Однако реальные ПЗС устройства имеют ограниченные апертуру, пространственное разрешение и динамический диапазон [82]. Существенное значение так же приобретают временные характеристики процессов записи и считывания оптических изображений с матриц ПЗС. Эти особенности могут исказить статистические и, как следствие, корреляционные свойства сигналов о пространственном распределении спекловых полей. Данное обстоятельство обуславливает необходимость исследования статистических и корреляционных свойств сигналов ПЗС о пространственном распределении интенсивности спекловых полей, формируемых при прохождении лазерного излучения через многомодовый ВС в составе одноволоконного многомодового интерферометра, и при рассеянии лазерного излучения диффузными объектами и выяснения оптимальных условий регистрации спекл-сигналов приборами с зарядовой связью, обеспечивающих соответствие корреляционных свойств исходных и регистрируемых сигналов.

Необходимо также связать однозначной функциональной зависимостью величину коэффициента корреляции спекловых полей, измеряемую оптоэлектронными ПЗС системами с параметрами деформации ОМИ и диффузных объектов, определить погрешность, динамический и частотный диапазон измерений параметров деформации объектов корреляционным способом. На основе этих данных необходимо разработать метод обработки сигналов ПЗС, обеспечивающий измерения параметров деформации ОМИ и диффузных объектов. Требуется разработать макеты конструкций волоконно-оптических измерительных преобразователей и систем для измерения параметров деформации объектов в статическом и динамическом режимах, определить их рабочие характеристики и выяснить особенности их применения при проведении измерений параметров деформации техногенных и природных объектов различного назначения.

Для реализации многоканальных лазерных волоконно-оптических измерительных систем на основе одноволоконных многомодовых интерферометров требуется выяснить условия регистрации излучения большого числа волоконных световодов приборами с зарядовой связью, изучить влияние перекрестной помехи между каналами на результат измерений и установить максимальное количество измерительных каналов в составе системы.

Остаются неизученными особенности реализации томографических систем на основе корреляционной обработки спекл-сигналов ОМИ с использованием ПЗС. Для данного случая необходимо разработать специальные математические алгоритмы для обработки массивов получаемой системой информации. Требуются модификации топологии установки волоконно-оптических измерительных линий применительно к особенностям геометрии и физическим свойствам исследуемого объекта.

Таким образом, для разработки прямого корреляционного метода обработки сигналов ПЗС о пространственном распределении интенсивностей случайно-неоднородных оптических полей, формируемых при прохождении лазерного излучения через одноволоконные многомодовые интерферометры и при рассеянии лазерного излучения диффузными объектами, и создания на его основе принципов построения лазерных систем для измерения параметров деформации объектов различного назначения, требуется:

Исследовать статистические и корреляционные свойства сигналов ПЗС о пространственном распределении интенсивности случайно-неоднородных оптических полей, формируемых при прохождении лазерного излучения через многомодовые волоконные световоды и при рассеянии лазерного излучения диффузными объектами.

Необходимо разработать метод обработки случайно-неоднородных оптических полей рассеянного лазерного излучения оптоэлектронными ПЗС системами, основанный на прямом измерении корреляционной функции спекл-сигналов и обеспечивающий прецизионные измерения параметров деформации технических и биологических объектов.

Требуется разработать физические принципы построения многоканальной лазерной волоконно-оптической измерительной системы, основанной на использовании одноволоконных многомодовых интерферометров и оптоэлектронной ПЗС системы обработки их спекл-сигналов. Необходимо определить максимальное число измерительных каналов такой системы и разработать алгоритмы и программные пакеты для обработки ее выходных сигналов.

Требуется разработать физические принципы построения и топологию одномерной лазерной волоконно-оптической измерительной системы томографического типа для сбора данных о параметрах деформации объектов. Необходимо разработать математические методы и вычислительные пакеты для обработки массивов получаемых ею интегральных данных.

Поэтому целью диссертационной работы является разработка прямого корреляционного метода обработки сигналов ПЗС о пространственном распределении случайно-неоднородных оптических полей, формируемых при рассеянии лазерного излучения одноволоконными многомодовыми интерферометрами и диффузными объектами, и создание на его основе принципов построения лазерных систем для измерения параметров деформации технических и биологических объектов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты исследований статистических и корреляционных свойств сигналов ПЗС о пространственном распределении интенсивности случайно-неоднородных оптических полей, формируемых при прохождении лазерного излучения через многомодовые волоконные световоды.

2. Метод прямой корреляционной обработки спекл-модулированного лазерного излучения оптоэлектронными ПЗС системами, обеспечивающий прецизионные измерения параметров деформации технических и биологических объектов.

3. Физические принципы построения лазерных многоканальных волоконно-оптических измерительных систем, в том числе томографического типа, для мониторинга процессов деформации объектов.

Практическая значимость диссертации заключается в том, что представленные в работе результаты открывают возможность создания лазерных многоканальных волоконно-оптических измерительных систем для измерения параметров деформации широкого круга технических и биологических объектов.

Результаты разработки метода регистрации и обработки оптических спекл сигналов, основанного на выполнении прямых измерений коэффициента корреляции опорного и текущего пространственных распределений интенсивности спекл-модулированных световых волн оптоэлектронными системами с применением приборов с зарядовой связью, предоставляют возможность построения на базе указанного метода многоканальных лазерных измерительных систем различного назначения. На базе разработанного метода созданы действующие макеты многоканальной лазерной волоконно-оптической измерительной системы томографического типа для восстановления поля деформации объектов.

Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в печатных работах [95, 103-111] и были представлены на следующих региональных, всероссийских и международных конференциях:

1. Fifth Asia-pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics APCOM'2005, Vladivostok (Russia) 2005

2. Sixth Asia-pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics APCOM'2006, Harbin (P.R. of China) 2006

3. SPIE Optics + Photonics. San-Diego (USA) 2007

4. 8-th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments ISMTII 2007, Sendai (Japan) 2007

5. Всероссийская конференция по волоконной оптике ВКВО-2007, Пермь (Россия) 2007

6. Sixth Asia-pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics APCOM'2007, Vladivostok (Russia) 2007

7. Seventh Asia-pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics APCOM'2008, Tokyo (Japan) 2008

8. SPIE Optics + Photonics. San-Diego (USA) 2008

9. Международная научно - техническая конференция, посвященная 85-летию со дня рождения проф. П. П. Ступаченко — Владивосток (Россия) 2008

Некоторые практические результаты, полученные в настоящей работе экспонировались 11 -ой Всероссийская научно-производственной инновационной выставке-ярмарке «ИНТЕГРАЦИЯ - 2006» в рамках 9-го Международного Всесибирского инновационного форума, 2006.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 127 страниц, работа включает 42 рисунка и список литературы из 133 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, результаты, полученные в ходе настоящей работы, сводятся к следующему:

1. Установлено, что статистические и корреляционные свойства измеренных оптоэлектронными ПЗС системами сигналов о пространственном распределении интенсивностей спекл-модулированных световых волн зависят от режима работы прибора с зарядовой связью, используемого для их регистрации. Соответствие свойств исходных и регистрируемых ПЗС спекл-сигналов достигается при обеспечении оптимальных условий регистрации, которые заключаются в следующем:

- расстояние L между формирующим спеклы объектом и ПЗС должно удовлетворять условию - —S„c «L «—Д//х. (где D - это диаметр светового пучка,

Л Л формирующего спеклы, Л - длина волны излучения, <5JIC - поперечные размеры элемента матрицы ПЗС, Ашг - размеры светочувствительной площадки ПЗС).

- статистический параметр распределения интенсивности света в регистрируемой спекл-картине Х/Хт.м (где X - среднее зарегистрированное значение интенсивности, Zmax - максимальное значение зарегистрированной интенсивности) не превышает 0.15.

- оптимальный радиус регистрируемой спекл-картины, формируемой многомодовым волоконным световодом лежит в пределах - Дп/3+ (где Rn - радиус участка спекл-картины, в пределах которого ПЗС матрицей регистрируется 80% световой мощности).

2. Показано, что оптимальный режим регистрации сигналов ПЗС обеспечивает проведение прямого измерения коэффициента корреляции распределений интенсивностей полей в случае трансляции и кипения спеклов, соответственно, обусловленных поперечными смещениями диффузных объектов и аксиальной деформацией волоконных световодов.

3. Установлено, что в случае кипения спеклов, вызываемого удлинением многомодового волоконного световода, характерная величина Д/0 удлинения ВС, определяющая декорреляцию начального и текущего пространственных распределений интенсивностей спекловых полей, не совпадает с корреляционным радиусом ап при трансляции спекл-картин, а определяется длиной волны источника, дисперсионными и механическими параметрами световодов в соответствие с полученными в настоящей работе соотношениями.

4. Показано, что статистические флуктуации коэффициента корреляции интенсивностей световых полей ограниченной апертуры определяют минимальное значение погрешности измерения аксиальной деформации многомодового волоконного световода. Данное значение не превышает 6% от характерной величины М{) в случае удлинения волоконного световода, и достигается при соблюдении оптимальных условий регистрации лазерного излучения приборами с зарядовой связью. Дополнительным условием достижения минимальной погрешности в случае возбуждения узкого модового спектра в волоконном световоде является использование диффузного рассеивателя на выходе волоконного световода.

Установлено, что температурная погрешность измерения относительного удлинения многомодового волоконного световода, определенная корреляционным способом, определяется коэффициентом температурного расширения чистого кварца и равна 7.3-10"7оС~'.

5. Последовательная перезапись опорных сигналов о пространственном распределении интенсивности спекл-модулированных волн позволяет проводить измерения величин удлинений многомодовых волоконных световодов поперечных смещений диффузных объектов, значительно превышающие характерные величины Д/„ и а0 соответственно, а так же позволяет устанавливать направление деформации.

6. На основе разработанного метода обработки случайно-неоднородных спекловых полей рассеянного лазерного излучения оптоэлектронными ПЗС системами разработаны и исследованы макеты конструкций волоконно-оптических измерительных преобразователей для измерения параметров продольной и поперечной деформации объектов в статическом и динамическом режимах. Показано, что макеты обеспечивают в частотном диапазоне 0-н25 Гц измерение величины смещений деталей механизмов при их возвратно-поступательном движении с точностью ±3 мкм в диапазоне 0-^50 мм и величины смещения элементов биологического препарата челюсти человека с точностью ±10 мкм в диапазоне 0ч-7 мм. Экспериментально определены величины поперечных деформационных смещений и остаточных деформаций в челюстно-лицевых костях человека для различных участков челюстно-лицевой костной ткани в случае приложения нагрузки, имитирующей жевательную.

7. Разработаны физические принципы построения многоканальной лазерной волоконно-оптической измерительной системы, основанной на использовании одноволоконных многомодовых интерферометров и оптоэлектронной ПЗС системы обработки их спекл-сигналов. Определено максимальное число измерительных каналов такой системы в зависимости от числовой апертуры используемого многомодового волоконного световода, размеров апертуры и разрешения матрицы ПЗС. Разработаны алгоритмы и программные пакеты для обработки выходных сигналов многоканальной лазерной волоконно-оптической измерительной системы.

8. Разработаны физические принципы построения и топология одномерной лазерной волоконно-оптической измерительной системы томографического типа для сбора данных о параметрах деформации объектов. Разработаны математические методы и вычислительные пакеты для обработки массивов получаемых ею интегральных данных. Экспериментально продемонстрировано восстановление пространственного распределения поля поперечных смещений упругой балки.

В заключение выражаю глубокую благодарность моему научному руководителю д.ф.-м.н., профессору, зав. кафедрой физики ДВГТУ Олегу Борисовичу Вит-рику за неоценимую помощь в написании диссертационной работы, подготовке, проведении и интерпретации результатов экспериментов и чл.-корр. РАН, а также директору ПАПУ ДВО РАН Юрию Николаевичу Кульчину за общее руководство исследованиями и своевременные рекомендации при написании диссертации.

1. Борн M., Вольф Э., Основы оптики (пер. с английского - М.: Наука, 1973,720 с.)

2. Афанасьев В.А., Оптические измерения. - М.: Высшая школа - 1981 - 229 с.

3. Бломберген Н., Нелинейная оптика. - М.: Мир - 1966 - 424 с.

4. Emanuel М.К., Atmospheric convection. - Oxford University Press, Inc. - 1994-p. 103.

5. Франсон M. Оптика спеклов, M.: Мир - 1980 - 170 с.

6. Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия / Пер. с англ. под ред. Г.В. Скроцкого. М.: Мир - 1986 - 328 с.

7. Goodman J.W. Speckle Phenomena in optics: theory and applications, Roberts & Company, Englewood, Colorado - 2007.

8. Goodman J. W., Statistical Properties of Laser Speckle Patterns // Stanford Electronics Laboratory Tech. Dept. №2303 -1963.

9. Goodman J. W., Some Fundamental Properties of Speckle // Journ. Opt. Soc. Am., vol. 66 -1976 - p. 1145.

10. Oliver B.M., Sparkling spots and random diffraction // Proc. IEEE -1963 - p. 51-220.

11. Burch J. M., Tokarski M. Production of Multiple Beam Fringes from Photographic Scatterers // Optica Acta, vol. 15 -1968 - p. 101.

12. Goodman J. W., Dependence of Image Speckle Contrast on Surface Roughness // Opt. Commun., vol. 14 -1975 - p. 324.

13. Вест Ч. Голографическая интерферометрия (Пер. с англ. под ред. Ю.И. Островского. М.: Мир, 1982. 504 с).

14. Schneiderman А. М., Kellen P. F-, Miller М. G., Laboratory Simulated Speckle Interferometry // Journ. Opt. Soc. Am., vol. 65 - 1975 - p. 1287.

15. Stetson K. A., A Review of Speckle Photography and Interferometry // Optical Engineering - vol.14 - № 5 -1975 - p. 482.

16. Weigelt G. P., Modified Astronomical Speckle Interferometry // Opt. Commun., vol. 21 - 1977 - p. 55.

17. Roddier F., Speckle Interferometry through Small Multiple Apertures: Michelson Stellar Interferometry and Apertures Synthesis in Optics // Opt. Commun., vol. 10 - 1974 - p. 103.

18. Worden S. P., Lynds С R., Harvey J. W., Journ. Reconstructed Images of Alpha Orionis Using Stellar Speckle Interferometry // Opt. Soc. Am., vol. 66-1976-p. 1243.

19. Hariharan P., Speckle-Shearing Interferometry with a Simple Optical System // Appl. Opt., vol. 14,1975 - p. 2563.

20. Cloud G., Practical Speckle Interferometry for Measuring In-Plane Deformations // Appl. Opt., vol. 14 -1975 - p. 878.

21. Клименко И.С. Голография сфокусированных изображений и спекл- интерферометрия, М.: Наука — 1985 — 224 с.

22. Рябухо В.П., Спекл-интерферометрия // Соросовский образовательный журнал, т.7, № 5 - 2001 - с. 102-109.

23. Scott R. М., Scatter Plate Interferometry // Appl. Opt., vol. 8 - 1969 - p. 531.

24. Beddoes D. R., Dainty J. C , Morgan B. L, Scaddan R. J., Speckle Interferometry on the 2.5 m Isaac Newton Telescope // Journ. Opt. Soc. Am., vol. 66 -1976 - p. 1247.

25. Burch J. M., Scatter Fringe Interferometry // Journ. Opt. Soc. Am., vol. 52 - 1 9 6 2 - p . 600.

26. Burch J. M., Interferometry with Scattered Light // в кн.: Optical Instruments and Techniques, Oriel Press, Newcastle-Tyne - 1970 - p. 213.

27. Butters J. N., Speckle Pattern Interferometry Using Video Techniques // Journ. Soc. Photo-Opt. Instruments Eng, USA, vol. 10, № 1 -1971 - p. 5.

28. Butters J. N., Leendertz I. A., Application of Coherent Light Techniques to Engineering Measurement // Appl. Optics, vol. 11 - 1972 - p.1436.

29. Butters J. N., Laser Holography and Speckle Patterns in Metrological Techniques of Nondestructive Testing // International Journal of Nondestructive Testing, vol. 4 -1972 - p.31.

30. Butters J. N., Leendertz I. A., Application of Speckle Pattern to the Simplification of Engineering Measurement // S. R. С Research Report -1970.

31. Dainty J. C, Stellar Speckle Interferometry // в кн.: Laser Speckle and Related Phenomena (Topics in Applied Physics), Springer-Verlag, Berlin, -1975 - p. 255.

32. Molin Ek L, Detection of the Nodal Lines and the Amplitude of Vibration by Speckle Interferometry // Opt. Commun., vol. 2 -1971 - p . 419.

33. Karo D. P., Schneidermann A. M., Speckle Interferometry Lens- Atmospher MTF Measurements // Journ. Opt. Soc. Am., vol.66 - 1976 - p. 1252.

34. Labeyrie A., Measurement of Stellar Angular Diameters by Speckle Interferometry // Japan Journ. Appl. Phys., vol. 14 - 1975 - p. 283.

35. Lohmann A. W., Weilgelt G., Large Field Interferometry // в кн.: Proceedings of the 10th Congress of the International Commission for Optics, Prague -1975 - p. 110.

36. Labeyrie A., Observations interferometriques au Mount Palomar // Nouv. Rev. Opt., vol. 5 - 1974 - p. 141.

37. Labeyrie A., Attainment of Diffraction Limited Resolution in Large Telescopes by Fourier Analysing Speckle Patterns in Star Images // Astron. Astrophys., vol. 6 - 1970 - p.85.

38. Stetson K. A., New Design for Laser Image-Speckle Interferometer // Optics and Laser Technology, vol. 3 - 1971 - p. 220.

39. Stetson K. A., Problem of Defocusing in Speckle Photography, Its Connection with Hologram Interferometry, and Its Solutions // Journ. Opt. Soc. Am., vol. 66 - 1976 - p. 1267.

40. Leendertz J. A., Butters J. N., An Image-Shearing Speckle Pattern Interferometer for Measuring Bending Moments // Journ. Phys. E: Sci. Instram., vol. 6 - 1973 - p. 1107.

41. Leendertz J. A., Interferometric Displacement Measurement on Scattering Surfaces Utilizing Speckle Effect // Journ. Phys. E.: Sci. Instr., vol. 4, -1970 - p. 277.

42. Sprague R. A., Surface Roughness Measurement Using White Light Speckle // Appl. Opt., vol.11 - 1972 - p. 2811.

43. Ohtsubo, Fujii, Asakura Т., Surface Roughness Measurements by Using Speckle Pattern // Japan Journ. Appl. Phys., vol. 14 - 1975 - p. 293.

44. Thinh V. N., Tanaka S., Measurement of the Spectral Distribution of a Multimode Dye Laser Light by Using Speckle Patterns // Opt. Commun., vol. 19 - 1976 - p. 378.

45. Weigelt G. P., Real Time Measurement of the Motion of a Rough Object by Correlation of Speckle Patterns // Opt. Commun., vol. 19 - 1976 - p. 223.

46. Kopf U., Visualisation of Phase-Objects by Spatial Filtering of Laser Speckle Photographs // Optik, vol. 36 - 1972 - p.592.

47. Asakura Т., Fuji N., Murata K., Measurement of Spatial Coherence Using Speckle Patterns // Optica Acta, vol. 19 - 1972 - p. 273.

48. Saleh Bahaa E. A., Speckle Correlation Measurement of the Velocity of a Small Rotating Rough Object // Appl. Optics, vol. 10 - 1975 - p. 2344.

49. Archbold E., Ennos A. E., Applications of Holography and Speckle Photography to the Measurement of Displacement and Strain // Journ. of Strain Analysis, vol. 9, № 1 -1974.

50. Yamaguchi, I., Komatsu, S., and Saito H., Dynamics of speckles produced by a moving object and its applications // Japanese Journal of Applied Physics, Part 1: 14,1975 - p . 301-306.

51. Veselov L. M., Popov I. A. Statistical properties of modulated dynamic speckles // Opt. Spectroscopy., vol. 84 - 1998 - p. 268-272.

52. Кульчин Ю.Н., Смирнова А. Интерферометрия малых перемещений с использованием многомодового световода // Журнал технической физики, т. 55 — 1985 - с. 942.

53. Кульчин Ю.Н., Беловолов М.И., Витрик О.Б., Дианов Е.М., Обух В.Ф. Исследование модуляции фазы и состояния поляризации в маломодовом волоконном световоде при аксиальных деформациях // Квантовая электроника т. 16, №2 - 1989 - с. 2301-2304.

54. Кульчин Ю.Н., Быковский Ю.А., Ларкин А.И., Марченко М.Н., Смирнов В.Л., Сороковиков В.И Измерение смещений объектов методом спекл-фотографии с использованием элементов волоконной оптики // Письма в ЖТФ, т. 17, в.2 - 1991 - с. 15-19.

55. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Максаев О.Г., Кириченко О.В., Каменев О.Т. Метод электронной корреляционной обработки спекл-картин для выделения полезного сигнала одноволоконных многомодовых интерферометров // ЖТФ, т. 66. №12 - 1996 - с. 137-140.

56. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б.„ Обух В.Ф.., Петров Ю.С. Исследование интерферометра сдвига как элемента волоконно-оптического датчика акустического давления // Измерительная техника, № 10 - 1992 - с. 24-26.

57. Кульчин Ю.Н., Vitrik О.В., Kirichenko O.V., Kamenev О.Т., Petrov Yu.S., Maksaev O.V. Method of single-fiber multimode interferometer speckle-signal processing. // Optical Engineering, 36, №5 - 1997 - p. 1494-1499.

58. Кульчин Ю.Н., Быковский Ю.А., Витрик О.Б. Запись голограмм Френеля излучением, прошедшим через многомодовые волоконные световоды // Оптика и спектроскопия, 68, в.5 - 1990 - с. 1160-1169.

59. Кульчин Ю.Н., Обух В.Ф. Измерение гидростатического давления с использованием многомодового оптического волокна. Изв. вузов сер. "Радиофизика", 29, № 10 - 1986 - с. 1238.

60. Снайдер А., Лав Дж., Теория оптических волноводов, М.: Мир — 1980.

61. Бусурин Б.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики (М.: Энергоатомиздат, 1990).

62. Asakura Т., Takai N. Dynamic laser speckles and their application to velocity measurements of the diffuse object// Appl. Phys. vol. 25 - 1981 -179-194.

63. Leendertz J. A., Butters I. N., A Double Exposure Technique for Speckle Patterns Interferometry // Journ. Phys. Sci. Instr., vol. 4 - 1971 - p. 277.

64. Duffy D. E., Moire Gauging of In-Plane Displacement Using Double Aperture Imaging // Appl. Opt., vol. 11 - 1972 - p. 1778.

65. Chiang E. P, Juang R. M., Vibration Analysis of Plate and Shell by Laser Speckle Interferometry // Opt. Acta, vol. 23 - 1976 - p. 997.

66. Баранникова C.A., Буякова СП., Зуев Л.Б., Кульков Н., О локализации деформации при сжатии образцов керамики Zr02(Y203) // Письма в ЖТФ, т. 33, вып. 11 - 2007 - с. 57-64.

67. Капустин А.А., Теория спекл-интерферометрических измерений напряженно-деформированного состояния элементов натурных конструкций. // Физические основы голографии /Материалы XI Всесоюзной школы по голографии. Л.: ЛИЯФ - 1979 - с. 137-159.

68. Юрищева А., Осинцев А.В., Щепинов В.П., Применение метода цифровой спекл интерферометрии для изучения контактных взаимодействий // Науч. сессия МИФИ-2006: Сб. науч.тр., т. 14, М.: МИФИ, т.8 - 2006 - с. 120-121.

69. Bonshtedt В.В; Eskov D.N., Smirnov A.J., Analog-digital electronic stabilization of optical image// Lens and Optical Systems Design, Hannfried Zuegge, Editors, SPIE Proceedings Vol. 1780 - 1993 - p. 644-649.

70. Rastogi Ed. P. K., Digital speckle pattern interferometry and related techniques, (John Wiley & Sons, Chichester - 2001).

71. Erf R.K., Speckle Metrology (Academic Press, New York, NY - 1978).

72. Creath K. Phase-shifting speckle interferometry // Appl. Opt., vol. 24 - 1985 - p. 3053-3058.

73. Tiziani H.J., Application of speckling for in-plane vibration analysis // Opt. Acta - vol. 18 - 1971 - p. 891-902.

74. Archibold E., Burch J. M., Ennos A.E., A laser speckle interferometer for the detection of surface movements and vibration (In J.H. Dickson, editor Optical Instruments and Techniques, Oriel, Newcastle upon Tyne, England -1969 - p.265).

75. Федосов И.В., Галанжа Е.И., Соловьева A.B., Тучин В.В., Лазерный мониторинг скорости потока в лимфатических микрососудах с использованием пространственно-временной корреляции динамического спекл-поля // Письма в ЖТФ, т. 28, вып. 16 - 2002 - с. 58-64.

76. Semenov D.V., Nippolainen Е., Kamshilin А.А., Fast Distance Measurements using Dynamic Speckles // Optic Letters, vol. 30 - 2005 - p. 248-250.

77. Semenov D.V., Nippolainen E., Kamshilin A.A., Dynamic Speckle Effect Induced by Acousto-Optic Deflector for Fast Range Sensing // Optic 1.etters, vol. 30 - 2005 - p. 3147-3149.

78. Журавлев О.А., Комаров Ю., Шапошников Ю.Н., Щеглов Ю.Д., Электронный спекл-интерферометр для виброакустической устойчивости энергоустановок // РК Техника, сер. XII, в. 1 - 2000.

79. Осинцев А.В., Плотников А.С., Щепинов В.П., Применения цифровой корреляционной спекл-интерферометрии для изучения деформировании объектов // Научная сессия МИФИ, т.1 - 2008 - с. 123-124.

80. Sirohi J.M., Speckle Motrology (Marcel Dekker, New York, NY -1993).

81. Roddier F., Triple correlation as a phase closure techniques // Optics Commun. vol. 60 - 1986 - p. 145-148.

82. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Ланцов А.Д. Корреляционный метод обработки спекловой картины сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров с использованием приборов с зарядовой связью // Квантовая Электроника - т. 36, № 4. - 2006 - с. 339 - 342.

83. Быковский Ю.А. Кульчин Ю.Н. Витрик О.Б., Обработка сигналов волоконно-оптических датчиков корреляционным способом. // Межвузовский сборник "Диагностические применения лазеров и волоконной оптики", Саратов — 1989 - с. 95-97.

84. Быковский Ю.А. Кульчин Ю.Н. Витрик О.Б. Запись голограмм Френеля излучением прошедшим многомодовые волоконные световоды. Оптика и спектроскопия, т.68, N5 - 1990 - с. 1160-1164.

85. Быковский Ю.А., Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Амплитудная согласованная фильтрация в обработке сигналов одноволоконного многомодового интерферометра // Квантовая электроника, т. 17, №10 - 1 9 9 0 - с . 1377-1378.

86. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кириченко О.В., Петров Ю.С. Многомерная обработка сигналов с использованием волоконно-оптической измерительной сети // Квантовая электроника, т.20, №5 — 1993 — с . 711-714.

87. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кириченко О.В., Петров Ю.С, Каменев О.Т. Восстановление векторных физических полей методом оптической томографии // Квантовая электроника, т.22, №10 — 1995 -с. 1009-1012.

88. Тучин В.В. и др. Лазерная диагностика в биологии и медицине (М.: Наука -1989 - 237с).

89. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Ланцов А.Д., Воробьев В.А., Москвин Ю.Н., Спекл-корреляционный метод измерения величины деформации челюстно-лицевой костной ткани // Автометрия — 2008. Т. 44, №3. - 99 - 105.

90. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Ланцов А.Д., Одномерная томографическая волоконно-оптическая измерительная система на основе одноволоконных многомодовых интерферометров // Фотон-экспресс - 2007. Т.6, № 62. - 50 - 51.

91. Kulchin Yu. N., Vitrik О. В., Lantsov A.D., Vorobiev V.A., Moskvin Yu.N. Speckle-Correlation Method for Measuring Maxillofacial Bone Tissue Deformations // Pacific Science Review - 2006. - Vol.8 (1) - p. 1 -5.

92. Kulchin Yu. N.; Vitrik О. В.; Lantsov A. D., Processing of the signals of the single-fiber intermode interferometer with a small number of excited modes // Key Engineering Materials, Trans Tech Publications Ltd., Vols. 381-382 — 2007 - p. 627 - 630.

93. Кульчин Ю.Н., Быковский Ю.А., Витрик О.Б., Ларкин А.И. // Квантовая электроника, т. 17, №95 — 1990.

94. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Максаев О.Г., Кириченко О.В., Каменев О.Т. Метод электронной корреляционной обработки спекл-картин для выделения полезного сигнала одноволоконных многомодовых интерферометров // ЖТФ, т. 66. 12 - 1996 - с.137-140.

95. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. / пер. с английского - М.: Наука, 1978,830 с. Н7.Гудмен Дж. Статистическая оптика, М.: Мир -1988.

96. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. - М.: Наука, 1986, 544 с.

97. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кириченко О.В., Петров Ю.С, Каменев О.Т. Метод обработки сигналов двухмодового волоконного интерферометра // Автометрия №5 — 1995 - с.32-35.

98. Зубов В.А., Крайский А.В., Голографическая память для информации с периодической структурой с изображением рассеивателя в плоскость голограммы при записи // Квантовая Электроника, , т 7, № 9-1980-с. 2014-2017.

99. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Горбачев К.П., Аносов А.П., Кириченко О.В., Петров Ю.С, Каменев О.Т., Волоконно-оптическая измерительная сеть для регистрации параметров колебательных процессов // Измерительная техника - №3 - 1995 — с. 32-33.

100. Кульчин Ю.Н., Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кириченко О.В. Восстановление физических полей с использованием двухмерной волоконно-оптической измерительной сети // Измерительная техника - № 3 - 1 9 9 9 - с. 24-30.

101. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Ромашко P.B., Петров Ю.С, Кириченко О.В., Каменев О.Т. Томографические методы для исследования векторных полей при помощи волоконно-оптических измерительных систем // Квантовая электроника,, т. 24, № 5 - 1997 - с. 467-470.

102. Kulchin Yu.N., Vitrik О.В., Kirichenko O.V., Petrov Yu.S., Kamenev O.T., The laser tomographical method using minimum of projection for biological object // Laser biology - vol.4 - №3 - 1995 - p. 679-683.

103. Kollmann C, Turetschek K., Mostbcck G., // European Radiology №8 - 1998.

104. Терещенко C.A., Методы вычислительной томографии - М.: Физматлит - 2004.

105. Наттерер Ф., Математические аспекты компьютерной томографии - М.: Мир -1990.

106. Будак Б.М., Самарский А.А., Тихонов А.Н., Сборник задач по математической физике - М.: Наука. - 1972, 687 с.

107. Гюнтер В.Э и другие авторы. Медицинские материалы и имплантаты с памятью формы - Томск: Издательство томского университета -1998.

108. Piederriere Y., Boulvert F., Cariou J., В. Jeune Le, Guern Y., Le Brun G., Backscattered speckle size as a function of polarization: influence of particle-size and -concentration // Optics Express. 2005, Vol.13, № 13. P. 5030-5040.